机器学习基础-支持向量机SVM

最新推荐文章于 2024-11-13 17:28:34 发布

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本文深入探讨SVM（支持向量机）的基本原理，包括最小间距超平面、函数间隔和几何间隔的概念。同时，详细解析了软间隔与硬间隔的区别，以及核函数在解决非线性问题中的应用，如线性核、多项式核、高斯核等，并讨论了不同核函数的特点和适用场景。

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SVM-统计学习基础
最小间距超平面：所有样本到平面的距离最小。
距离度量有函数间隔和几何间隔，函数间隔与法向量w和b有关，w变为2w则函数间距变大了，于是提出了几何距离，就是对w处理，除以∣∣w∣∣，除以向量长度，从而让几何距离不受影响。
但是支持向量机提出了最大间隔分离超平面，这似乎与上面的分析相反，其实这个最大间隔是个什么概念呢？通过公式来分析一下，正常我们假设超平面公式是：
在这里插入图片描述
也就是说对于所有的样本到超平面距离都大于γ，那这个γ如何求解，文中约定了概念支持向量：正负样本最近的两个点，这两个点之间的距离就是γ，那么问题来了，这中间的超平面有无数个，如何确定这个超平面呢？于是我们可以约束这个超平面到两个最近的点的距离是一样的。
在这里插入图片描述
上图中两个红色菱形点与一个蓝色实心圆点就是支持向量，通过这个求解目标，以及约束条件来求解这个超平面。书中有完整的公式装换以及证明这个超平面的唯一性。
这里要讲解一个样本点到直线的距离，
正常我们可能难以理解公式里y去哪里了，拿二维空间做例子，正常我们说一个线性方程都是y=ax+b，其中a和b都是常量，这个线性方程中有两个变量x和y，转换公式就是y−ax−b=0，从线性矩阵的角度来思考问题就是 y是x1，x是x2，用一个wT来表示这两者的系数，用b代替−b，所以公式就变为了：
在这里插入图片描述
也就是说约束条件中要求>γ，其实就是大于支持向量到超平面的距离。

软间隔
硬间隔是方便用来分隔线性可分的数据，如果样本中的数据是线性不可分的呢？也就是如图所示：
在这里插入图片描述
有一部分红色点在绿色点那边，绿色点也有一部分在红色点那边，所以就不满足上述的约束条件：s.t.yi(xi+b)>1 ，软间隔的最基本含义同硬间隔比较区别在于允许某些样本点不满足原约束，从直观上来说，也就是“包容”了那些不满足原约束的点。软间隔对约束条件进行改造，迫使某些不满足约束条件的点作为损失函数，如图所示：

在这里插入图片描述
这里要区别非线性情况，非线性的意思就是一个圆圈，圆圈里是一个分类结果，圆圈外是一个分类结果。这就是非线性的情况。
其中当样本点不满足约束条件时，损失是有的，但是满足条件的样本都会被置为0，这是因为加入了转换函数，使得求解min的条件会专注在不符合条件的样本节点上。
但截图中的损失函数非凸、非连续，数学性质不好，不易直接求解，我们用其他一些函数来代替它，叫做替代损失函数（surrogate loss）。后面采取了松弛变量的方式，来使得某些样本可以不满足约束条件。
在这里插入图片描述

核函数
引入核函数可以解决非线性的情况：将样本从原始空间映射到一个更高为的特征空间，使得样本在这个特征空间内线性可分。

其中映射函数与核函数之间有函数关系，一般我们显示的定义核函数，而不显示的定义映射函数，一方面是因为计算核函数比映射函数简单，我们对一个二维空间做映射，选择的新空间是原始空间的所有一阶和二阶的组合，得到了五个维度；如果原始空间是三维，那么我们会得到 19 维的新空间，这个数目是呈爆炸性增长的，这给的计算带来了非常大的困难，而且如果遇到无穷维的情况，就根本无从计算了。所以就需要 Kernel 出马了。这样，一个确定的核函数，都不能确定特征空间和映射函数，同样确定了一个特征空间，其映射函数也可能是不一样的。

常用的核函数及对比：
1、Linear Kernel 线性核
在这里插入图片描述
线性核函数是最简单的核函数，主要用于线性可分，它在原始空间中寻找最优线性分类器，具有参数少速度快的优势。如果我们将线性核函数应用在KPCA中，我们会发现，推导之后和原始PCA算法一模一样，这只是线性核函数偶尔会出现等价的形式罢了。
2、Polynomial Kernel 多项式核
在这里插入图片描述
也有复杂形式

其中d≥1为多项式次数，参数就变多了，多项式核实一种非标准核函数，它非常适合于正交归一化后的数据，多项式核函数属于全局核函数，可以实现低维的输入空间映射到高维的特征空间。其中参数d越大，映射的维度越高，和矩阵的元素值越大。故易出现过拟合现象。
3、径向基函数高斯核函数 Radial Basis Function（RBF）
在这里插入图片描述
σ>0是高斯核带宽，这是一种经典的鲁棒径向基核，即高斯核函数，鲁棒径向基核对于数据中的噪音有着较好的抗干扰能力，其参数决定了函数作用范围，超过了这个范围，数据的作用就“基本消失”。高斯核函数是这一族核函数的优秀代表，也是必须尝试的核函数。对于大样本和小样本都具有比较好的性能，因此在多数情况下不知道使用什么核函数，优先选择径向基核函数。
4、Laplacian Kernel 拉普拉斯核
在这里插入图片描述
5、Sigmoid Kernel Sigmoid核
采用Sigmoid核函数，支持向量机实现的就是一种多层感知器神经网络。
采用Sigmoid核函数，支持向量机实现的就是一种多层感知器神经网络。
其实还有很多核函数，在参考博客里大家都可以看到这些核函数，对于核函数如何选择的问题，吴恩达教授是这么说的：

如果Feature的数量很大，跟样本数量差不多，这时候选用LR或者是Linear Kernel的SVM
如果Feature的数量比较小，样本数量一般，不算大也不算小，选用SVM+Gaussian Kernel
如果Feature的数量比较小，而样本数量很多，需要手工添加一些feature变成第一种情况